CN111555822A - 一种基于相位屏的水下无线光传输蒙特卡洛仿真方法 - Google Patents
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Abstract
一种基于相位屏的水下无线光传输蒙特卡洛仿真方法，它是由下述步骤组成：A、仿真系统初始化；B、对高斯光源进行采样，生成光子的初始坐标与方向；C、选定海洋功率谱，根据谱反演方法，生成仿真所用相位屏；D、计算光子随机步长；E、根据光子坐标，方向与随机步长，判断光子是否与相位屏相交，是否达到接收面；F、若光子不与相位屏相交，未到达接收面，则更新光子的权重、位置、方向；G、若光子与相位屏相交，未到达接收面，则计算光子与相位屏相交的坐标，更新光子坐标、方向；E、循环执行步骤D～G，直到光子与接收面相交；更加全面的研究光信号在海水中传输的多径效应，可推广应用到水下无线光通信领域。
Description
技术领域
本发明属于水下无线光通信领域，尤其涉及一种基于相位屏的水下无线光传输蒙特卡洛仿真方法。
背景技术
水下通信是探索海洋的关键技术之一。由于电磁波在水下衰减严重，声学通信是目前水下应用最广泛的技术。水下声学通信虽然传输距离远，但受到传输带宽限制，通信速率限制在Kbps量级。研究发现，蓝绿波段可见光可作为可见光通信窗口。近年来，蓝绿光水下光通信由于速率高、方向性好受到研究者广泛关注。
海水介质成分复杂，含有叶绿素、黄色物质及各种矿物质。另外，由于水下盐度场、温度场及水流密度场的存在导致海洋湍流现象。复杂的海洋环境将对蓝绿信号光传输造成严重降质。水中杂质对传输光束具有散射作用，这是水下光脉冲展宽及码间串扰的主要原因。利用散射相函数可以模拟水中粒子的散射特性。进一步借助蒙特卡洛方法可以进行水下无线光信道模拟，可以得到大量光子在水下传输时由于散射引起的时间展宽效应以及光斑空间扩展现象。仅由粒子散射效应导致的时间展宽效应以及光斑扩展现象是时间不变的。湍流效应不会衰减光信号，但会造成海水折射率的不均匀性，改变光传播方向，造成接收端的光强闪烁，是接收机误码率特性的主要因素之一。湍流效应随着传输距离的增加，变得更加剧烈。尤其对于长距离的水下蓝绿光通信，湍流效应不可忽略。
真实海水环境对传输光信号的影响是光吸收散射、湍流效应的综合作用。但是对于水下无线光信道建模，水下粒子散射效应和湍流效应在信道仿真过程难以统一。水下湍流效应无法融入到模拟吸收散射的蒙特卡洛仿真框架。
解决上述技术问题采用的技术方案是由下述步骤组成：
A、仿真系统初始化；
以Z轴正方向为光传输方向，Z＝0为光源所在平面，设置传输距离为10～200m，波长λ为400nm～600nm；光子数N为1000～10000000；高斯光束的束宽ω0为0.5～50mm，Δz为相位屏在Z轴上的间隔，取值范围0.5～10m，相位屏的大小为0.5～3m×0.5～3m；方位角
为光子散射方向在XOY面上的投影与X轴正半轴的夹角；散射角θ为光子传播方向与X轴正半轴之间夹角；
设定水体系数a为0.1～3/m,散射系数b为0.01～3/m，衰减系数c＝a+b，海水信道的单次散射率Tsca为散射系数b与衰减系数c之比，光子初始权重为1；
B.对高斯光源进行采样，确定光子的初始坐标和初始方向，采样方法如下：
(B1)生成取值范围为(0,1)的随机数r1和r2；
(B2)确定初始散射角
(B3)确定方位角
(B4)确定径向距离
(B5)确定光子初始坐标(x0,y0,z0)为
(B6)确定光子初始方向(μx,μy,μz)为
(B7)重复B1～B6，即可生成所有光子的初始坐标与初始方向；
C、生成相位屏，具体步骤如下：
(C1)选定海洋功率谱φ(κx,κy)：
其中，κx和κy分别是空间频率在x方向和y方向上的分量，ε为单位体积海水的能动耗散功率；χT为均方温度耗散率，ω为温度导致的海洋湍流与盐度导致的海洋湍流的比值，η为Kolmogorov尺度；其中，
AT＝1.863×10-2，As＝1.9×10-4，ATS＝9.41×10-3；
(C2)确定相位屏谱
其中，k＝2π/λ为光束的波数，Δz为相位屏在Z轴上的间隔；
(C3)利用
对高斯随机复矩阵h(κx,κy)进行滤波和傅里叶变换，即可得到相位屏
其中，C为控制相位屏方差的常数因子，
其中，Δκx、Δκy为取样间隔；
(C4)重复C1～C3，即可生成全部相位屏；
D、计算光子的随机步长d：
其中，r3是范围为(0,1)的随机数；
E、根据光子坐标(x,y,z)、光子方向(μx,μy,μz)与随机步长d，判断光子是否与相位屏相交，是否达到接收面；
F、若光子不与相位屏相交，未到达接收面，则
(F1)更新光子的权重Wi+1：
Wi+1＝Wi·Tsca
其中，Wi+1为散射i+1次后光子的权重，Wi为前i次光子权重损失之和，Tsca为海水信道的单次散射率；
(F2)根据HG散射相函数计算散射角θ与方位角
其中，g为非对称因子,取g＝0.924，r4和r5是取值范围为(0,1)的随机数；
(F3)更新光子的方向
其中，
(F4)更新光子的坐标(xi+1,yi+1,zi+1)：
G、若光子与相位屏相交，未到达接收面，则
(G1)计算光子与相位屏相交的坐标(xp,yp,xp)为：
其中，(xi,yi,zi)和(μxi,μyi,μzi)分别为穿过相位屏前光子的坐标与方向，zphase是相位屏在Z轴上的位置；
(G2)若光子在穿过相位屏时，传输方向发生改变，根据广义折射定律，更新光子的方向(mxap,myap,mzap)：
(G3)光子通过相位屏，下一次散射发生前光子的坐标(xi+1,yi+1,zi+1)为：
(G4)根据HG散射相函数计算散射角θ与方位角
其中，g为非对称因子,取g＝0.924，r4和r5是取值范围为(0,1)的随机数；
(G5)更新光子的方向
其中，
E、循环执行步骤D～G，直到光子与接收面相交，记录光子与接收面相交的位置坐标，记录光子的权重。
本发明上述步骤A中高斯光束的束宽为ω0＝20mm，波长λ＝532nm；光子数为100000；在Z轴上以Δz＝2.5m为间隔，设置7张相位屏，位置分别为z＝2.5m,z＝5m,z＝7.5m,z＝10m,z＝12.5m,z＝15m,z＝17.5m；相位屏大小为1m×1m。
本发明上述的步骤(C1)中
χT＝10-7K2/s,ε＝10-4m2/s3,η＝5mm,ω＝-0.3。
与本发明相比，现有技术仅能对单纯的水下散射效应仿真方法或者水下湍流效应仿真方法，针对散射效应和湍流效应所采用的仿真方法不同，故无法对两种效应进行同时仿真模拟，本发明能够同时对水下散射效应与湍流效应进行仿真，模拟产生的接收光斑更加真实，能够为水下无线光通信系统信道分析提供支撑。
附图说明
图1为本发明的原理图，图中所展示为光子在水下迁移时，与水中粒子进行碰撞产生吸收散射，以及通过相位屏时传输方向改变的示意图。其中，1、高斯光源；2、相位屏；3、接收平面。
图2为本发明的整体流程图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明，但本发明不限于这些实施例。
实施例1
在图1、2中，本发明一种基于相位屏的水下无线光传输蒙特卡洛仿真方法,是由下述步骤组成：
A、仿真系统初始化；
以Z轴正方向为光传输方向，Z＝0为光源所在平面，设置传输距离为20m，高斯光束的束宽为ω0＝20mm，波长λ＝532nm；光子数为100000；在Z轴上以Δz＝2.5m为间隔，设置7张相位屏，位置分别为z＝2.5m，z＝5m，z＝7.5m，z＝10m，z＝12.5m，z＝15m，z＝17.5m；相位屏大小为1m×1m。
方位角
为光子散射方向在XOY面上的投影与X轴正半轴的夹角；散射角θ为光子传播方向与X轴正半轴之间夹角；
本实施例中，水体系数为a＝0.069/m,散射系数b＝0.08/m，衰减系数c＝a+b＝0.149/m，海水信道的单次散射率Tsca为散射系数b与衰减系数c之比，光子初始权重为1；
B.对高斯光源进行采样，确定光子的初始坐标和初始方向，采样方法如下：
(B1)生成取值范围为(0,1)的随机数r1和r2；
(B2)确定初始散射角
(B3)确定方位角
(B4)确定径向距离
(B5)确定光子初始坐标(x0,y0,z0)为
(B6)确定光子初始方向(μx,μy,μz)为
(B7)重复B1～B6，即可生成所有光子的初始坐标与初始方向；
C、生成相位屏，具体步骤如下：
(C1)选定海洋功率谱φ(κx,κy)：
其中，κx和κy分别是空间频率在x方向和y方向上的分量，ε为单位体积海水的能动耗散功率，取值范围为10-10～10-1m2/s3；χT为均方温度耗散率，取值范围为10-10～10-4K2/s，ω为温度导致的海洋湍流与盐度导致的海洋湍流的比值，取值范围为(-5＜ω＜0)，η为Kolmogorov尺度，取值范围6×10-5～0.01m；
AT＝1.863×10-2，As＝1.9×10-4，ATS＝9.41×10-3；本实施例中，χT＝10-7K2/s,ε＝10-4m2/s3,η＝5mm,ω＝-0.3。
(C2)确定相位屏谱
其中，k＝2π/λ为光束的波数，Δz为相位屏在Z轴上的间隔；
(C3)利用
对高斯随机复矩阵h(κx,κy)进行滤波和傅里叶变换，即可得到相位屏：
其中，C为控制相位屏方差的常数因子，
对上述相位屏表达式进行离散化，在空间域内，x＝mΔx，y＝nΔy，Δx＝Δy＝1mm为采样间隔，m、n为整数；在波数域内，κx＝m′Δκx，κy＝n′Δκy，m′、n′为整数，Δκx、Δκy为取样间隔，Δκx＝2π/(NΔx)，Δκy＝2π/(NΔy)，N为1000。
令
可得相位屏表达式
(C4)重复C1～C3，即可生成全部相位屏；
D、计算光子的随机步长d：
其中，r3是范围为(0,1)的随机数；
E、根据光子坐标(x,y,z)、光子方向(μx,μy,μz)与随机步长d，判断光子是否与相位屏相交，是否达到接收面；
F、若光子不与相位屏相交，未到达接收面，则
(F1)更新光子的权重Wi+1：
Wi+1＝Wi·Tsca
其中，Wi+1为散射i+1次后光子的权重，Wi为前i次光子权重损失之和，Tsca为海水信道的单次散射率；
(F2)根据HG散射相函数计算散射角θ与方位角
其中，g为非对称因子,取g＝0.924，r4和r5是取值范围为(0,1)的随机数；
(F3)更新光子的方向
其中，
(F4)更新光子的坐标(xi+1,yi+1,zi+1)：
G、若光子与相位屏相交，未到达接收面，则
(G1)计算光子与相位屏相交的坐标(xp,yp,xp)为：
其中，(xi,yi,zi)和(μxi,μyi,μzi)分别为穿过相位屏前光子的坐标与方向，zphase是相位屏在Z轴上的位置；
(G2)若光子在穿过相位屏时，传输方向发生改变，根据广义折射定律，更新光子的方向(mxap,myap,mzap)：
(G3)光子通过相位屏，下一次散射发生前光子的坐标(xi+1,yi+1,zi+1)为：
(G4)根据HG散射相函数计算散射角θ与方位角
其中，g为非对称因子,取g＝0.924，r4和r5是取值范围为(0,1)的随机数；
(G5)更新光子的方向
其中，
E、循环执行步骤D～G，直到光子与接收面相交，记录光子与接收面相交的位置坐标，记录光子的权重。
实施例2
本实施例的步骤A中，以Z轴正方向为光传输方向，Z＝0为光源所在平面，设置传输距离为10m，高斯光束的束宽为ω0＝0.5mm，波长λ＝450nm；光子数为1000；在Z轴上以Δz＝0.5m为间隔，设置5张相位屏，位置分别为z＝0.5m,z＝1m,z＝1.5m,z＝2m,z＝2.5m；相位屏大小为0.5m×0.5m。
其余各步骤与实施例1完全相同。
实施例3
本实施例的步骤A中，以Z轴正方向为光传输方向，Z＝0为光源所在平面，设置传输距离为200m，高斯光束的束宽为ω0＝50mm，波长λ＝589nm；光子数为10000000；在Z轴上以Δz＝10m为间隔，设置20张相位屏，位置分别为z＝10m，z＝120m，z＝30m,z＝40m，z＝50m，z＝60m，z＝70m，z＝80m，z＝90m，z＝100m，z＝110m，z＝120m，z＝130m，z＝140m，z＝150m，z＝160m，z＝170m,z＝180m，z＝190m，z＝200m；相位屏大小为3m×3m。
其余各步骤与实施例1完全相同。
Claims (3)
1.一种基于相位屏的水下无线光传输蒙特卡洛仿真方法,其特征在于它是由下述步骤组成：
A、仿真系统初始化；
以Z轴正方向为光传输方向，Z＝0为光源所在平面，设置传输距离为10～200m，波长λ为400nm～600nm；光子数N为1000～10000000；高斯光束的束宽ω0为0.5～50mm，Δz为相位屏在Z轴上的间隔，取值范围0.5～10m，相位屏的大小为0.5～3m×0.5～3m；方位角
为光子散射方向在XOY面上的投影与X轴正半轴的夹角；散射角θ为光子传播方向与X轴正半轴之间夹角；
设定水体系数a为0.1～3/m,散射系数b为0.01～3/m，衰减系数c＝a+b，海水信道的单次散射率Tsca为散射系数b与衰减系数c之比，光子初始权重为1；
B.对高斯光源进行采样，确定光子的初始坐标和初始方向，采样方法如下：
(B1)生成取值范围为(0,1)的随机数r1和r2；
(B2)确定初始散射角
(B3)确定方位角
(B4)确定径向距离
(B5)确定光子初始坐标(x0,y0,z0)为
(B6)确定光子初始方向(μx,μy,μz)为
(B7)重复B1～B6，即可生成所有光子的初始坐标与初始方向；
C、生成相位屏，具体步骤如下：
(C1)选定海洋功率谱φ(κx,κy)：
其中，κx和κy分别是空间频率在x方向和y方向上的分量，ε为单位体积海水的能动耗散功率；χT为均方温度耗散率，ω为温度导致的海洋湍流与盐度导致的海洋湍流的比值，η为Kolmogorov尺度；其中，
AT＝1.863×10-2，As＝1.9×10-4，ATS＝9.41×10-3；
(C2)确定相位屏谱
其中，k＝2π/λ为光束的波数，Δz为相位屏在Z轴上的间隔；
(C3)利用
对高斯随机复矩阵h(κx,κy)进行滤波和傅里叶变换，即可得到相位屏
其中，C为控制相位屏方差的常数因子，
其中，Δκx、Δκy为取样间隔；
(C4)重复C1～C3，即可生成全部相位屏；
D、计算光子的随机步长d：
其中，r3是范围为(0,1)的随机数；
E、根据光子坐标(x,y,z)、光子方向(μx,μy,μz)与随机步长d，判断光子是否与相位屏相交，是否达到接收面；
F、若光子不与相位屏相交，未到达接收面，则
(F1)更新光子的权重Wi+1：
Wi+1＝Wi·Tsca
其中，Wi+1为散射i+1次后光子的权重，Wi为前i次光子权重损失之和，Tsca为海水信道的单次散射率；
(F2)根据HG散射相函数计算散射角θ与方位角
其中，g为非对称因子,取g＝0.924，r4和r5是取值范围为(0,1)的随机数；
(F3)更新光子的方向
其中，
(F4)更新光子的坐标(xi+1,yi+1,zi+1)：
G、若光子与相位屏相交，未到达接收面，则
(G1)计算光子与相位屏相交的坐标(xp,yp,xp)为：
其中，(xi,yi,zi)和(μxi,μyi,μzi)分别为穿过相位屏前光子的坐标与方向，zphase是相位屏在Z轴上的位置；
(G2)若光子在穿过相位屏时，传输方向发生改变，根据广义折射定律，更新光子的方向(mxap,myap,mzap)：
(G3)光子通过相位屏，下一次散射发生前光子的坐标(xi+1,yi+1,zi+1)为：
(G4)根据HG散射相函数计算散射角θ与方位角
其中，g为非对称因子,取g＝0.924，r4和r5是取值范围为(0,1)的随机数；
(G5)更新光子的方向
其中，
E、循环执行步骤D～G，直到光子与接收面相交，记录光子与接收面相交的位置坐标，记录光子的权重。
2.根据权利要求1所述的一种基于相位屏的水下无线光传输蒙特卡洛仿真方法，其特征在于：上述步骤A中高斯光束的束宽为ω0＝20mm，波长λ＝532nm；光子数为100000；在Z轴上以Δz＝2.5m为间隔，设置7张相位屏，位置分别为z＝2.5m,z＝5m,z＝7.5m,z＝10m,z＝12.5m,z＝15m,z＝17.5m；相位屏大小为1m×1m。
3.根据权利要求1所述的一种基于相位屏的水下无线光传输蒙特卡洛仿真方法，其特征在于：上述的步骤(C1)中
χT＝10-7K2/s,ε＝10-4m2/s3,η＝5mm,ω＝-0.3。
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